[发明专利]镍基高温合金叶片无再铸层气膜孔快速制造方法无效

专利信息
申请号: 200910012654.5 申请日: 2009-07-22
公开(公告)号: CN101613861A 公开(公告)日: 2009-12-30
发明(设计)人: 王茂才;谢玉江;王东生;张杰 申请(专利权)人: 中国科学院金属研究所
主分类号: C23F1/28 分类号: C23F1/28;B23K26/38;B23H9/14
代理公司: 沈阳科苑专利商标代理有限公司 代理人: 张志伟
地址: 110016辽*** 国省代码: 辽宁;21
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摘要:
搜索关键词: 高温 合金 叶片 无再铸层气膜孔 快速 制造 方法
【说明书】:

技术领域

发明属于金属制小孔加工技术,具体为一种镍基高温合金叶片无再铸层气膜孔快速制造方法。

背景技术

燃气轮机广泛应用于航空发动机飞行器、地面发电装置、舰艇及火箭推进装置等,是当代重要的动力发生器。镍基高温合金制作的涡轮叶片是燃气轮机重要热端部件。随着高效、高功率燃气轮机的发展,涡轮前燃气温度大大提高,叶片所需承受的温度越来越高。为此,叶片材料采用含Al和Ti较高的镍基高温合金并由多晶结构发展到现在的定向、单晶结构,而叶片制造由实心结构发展到空心型腔与小孔复合结构等。高压气体流过叶片迷宫式复杂型腔从叶身上不同位向分布的小孔中喷射出来并沿叶身表面形成冷却的气膜,由此实现叶片的冷却效果。显然这里的小孔圆滑、对称、孔内无障碍物,对气冷效果是有重大影响的。

含Al和Ti较高的镍基高温合金材料有着高的热裂纹敏感性,在激光辐照下所形成的再铸层很容易发生裂纹。对这种镍基合金叶片进行激光打孔或电火花打孔均会在孔周边形成厚薄不等的再熔化层(即再铸层),薄的几微米,厚的达数百微米,并且在孔内沉积着飞溅物和未吹除的残留物,如图1所示。

采用高Al和Ti镍基高温合金制作的单晶与定向结构叶片,由于激光或电火花打孔过程中所形成的再铸层为多晶结构,这就破坏了叶片单晶/定向结晶结构的完整性,大大降低了孔边力学与化学性能。

用作燃气轮机涡轮转子叶片,工作在高温、高速旋转与高温燃气作用的环境中,承受着大的离心力和氧化、腐蚀等作用。气膜孔再铸层物理化学性能,尤其是再铸层内存在的微裂纹将会导致叶片首先从气膜孔破裂、腐蚀而失效。此外,气膜孔中再铸层及其残留物存在会严重影响气流分布形态,均匀气膜层形成困难。

目前,叶片气膜孔的制造方法主要有激光打孔、电火花打孔和电液流打孔这样三种。实践表明:激光打孔速度最快,自动化程度高,精度高,可方便制造任意方位的、不同大小直径的孔。虽然随着打孔工艺和激光束的调制等方面提高,孔边与孔内再铸层的形态有所改善,但再铸层存在及再铸层内的裂纹目前严重威胁着叶片的安全,由此也限制了该方法的使用。电火花制孔的速度稍次于激光,孔边再铸层亦很明显。电液打孔,虽然再铸层很小,孔较圆均匀,孔内残留物少,但制孔速度仅为激光打孔的1/10~1/100,尤其是斜孔、深孔的制备更是困难,不能满足批量叶片制孔急需和低成本制孔的要求。

为此,找到一种可高效地除去激光/电火花所形成的再铸层,并与激光打孔/电火花打孔相结合,形成一个镍基高温合金叶片无再铸层气膜孔快速制备这样一整套工艺方法,对高性能发动机气膜孔结构叶片的低成本、高效地制造是十分重要的。

目前,除去激光/电火花打孔再铸层的通用方法是采用磨粒流工艺,即采用泵动力使含有磨粒的液-固双相流体反复通过叶片型腔与气膜孔。基于摩擦磨损过程将气膜孔周边的再铸层磨蚀除去,但液-固双相流的运动是遵照阻力最小原理,大孔阻力小,流动快,相反小孔难流动,这样就会导致大孔愈磨愈大,而小孔则磨除很小。同样,深孔、斜孔的孔边再铸层也得不到有效去除。对于叶片,它所有气膜孔的周边再铸层若不能彻底完全除去,任何残留都会带来灾难性结果。

发明内容

为了解决再铸层完全彻底地快速除去问题,本发明的目的是提供一种镍基高温合金叶片无再铸层气膜孔快速制造方法,通过化学溶液浸泡除去再铸层,并与激光打孔或电火花打孔工艺相匹配,形成镍基高温合金叶片无再铸层气膜孔快速制备一整套工艺方法。

本发明的技术方案是:

一种镍基高温合金叶片无再铸层气膜孔快速制造方法,具体步骤如下:

首先,对燃气轮机镍基高温合金叶片先采用脉冲式激光辐照或连续式激光辐照或采用电火花放电打孔,按设计要求在叶身上制造出所需尺寸的孔洞;

然后,采用化学溶液来浸泡已打孔的叶片,叶片在化学溶液中浸泡的整个过程均需进行超声波振动;

化学溶液的组成为:盐酸20~30vol.%,硝酸30~50vol.%,硫酸铜0.005~0.015摩尔/升,其余为水;

经过浸泡之后,叶片上所有孔的周边上激光再铸层与孔道中的残留物或电火花再铸层及其残留物均被彻底清除,获得具有又圆、又光滑、无再铸层的孔洞的叶片。

所述的镍基高温合金叶片无再铸层气膜孔快速制造方法,化学溶液温度为40℃~90℃,浸泡时间为10分钟~60分钟。

本发明的优点是:

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